北洛河流域气象干旱百年演化特征研究

杨天增, 张洪波,2, 黎扬兵, 王雨巍, 高文冰, 吕丰光

(1.长安大学 水利与环境学院, 西安 710054; 2.长安大学 水利部 旱区生态水文与水安全重点实验室, 西安 710054;3.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院, 西安 710021; 4.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 西安 710021)

近年来,全球气候变化明显,气候变暖使得降水区域性加大,高温、洪涝、干旱等极端事件趋多、趋强[1-2]。IPCC在2021年发布的气候变化评估报告显示,当前的气候比工业化前变暖约1.1℃[3]。世界气象组织(WMO)报告显示,自2000年以来全球干旱出现次数和持续时间增加了29%。目前,全球气候变暖已导致我国干旱情势加重,旱灾造成的损失也在增加[4]。国家气候中心(NCC)报告显示,我国2022年出现高温过程的综合强度为1961年有完整气象观测记录以来最强。生态环境脆弱的北洛河流域对气候变化敏感,同时又在大力开展退耕还林(草)[5]。在气候变化及植被恢复等活动的耦合作用下,区域干旱特征复杂性有所加剧,不确定与弱规律性相互交织,使科学认识流域气象干旱发展趋势与走向面临挑战,因此开展北洛河流域气象干旱时空分布与演化特征研究对流域“四预”建设与防灾减灾尤为重要。

当前,已有众多学者在黄土高原地区气象干旱的变化特征方面做了大量的研究工作。Wang等研究发现黄河流域年际多尺度标准化降水蒸散指数(SPEI)以-0.148/10 a的速率下降,夏季干旱频率及强度均占较大比重[6]。田甜等计算了渭河流域1960—2013年各站点的SPEI,发现1990年前后的干旱发生频率差异较大[7]。孙艺杰等基于1960—2016年黄土高原59个气象站点的逐日数据,认为较长时间尺度的SPEI对气候因子响应更明显[8]。Gao等利用分辨率为0.5°的GCM降尺度数据,发现在气候变化的影响下,2001—2050年黄土高原呈现出暖湿趋势[9]。师玉锋等通过分析计算黄土高原1901—2017年的SPEI,认为中部地区轻旱、重旱发生频率较高[10]。杨睿等利用25个气象站点1980—2018年月值气象数据集,基于多尺度SPEI_PM分析发现渭河流域以轻中旱为主,干旱站次比呈增加趋势[11]。Liu等基于黄土高原1957—2012年54个气象站点的实测数据,发现干旱频率在空间上由东南向西北递减,时间上冬季中期、春末夏初较高[12]。Cai等分析认为1990s渭河流域南北旱情出现反转[13]。丁浩等基于CanESM2全球气候模式数据,分析了渭河流域在历史基准期与未来期在2种排放情景下的干旱时空演变特征[14]。

梳理以上研究,不难发现当前研究多采用气象站点数据或通过插值获得网格数据来分析黄土高原气象干旱的变化特征。然而,由于部分气象站建立时间较晚或站点空间覆盖不足,常导致很多基于该数据序列的研究成果代表性较为欠缺,很难较为准确地反映流域/区域干旱的长期变化特征。而且,最新的研究成果表明[15-17],人类活动对全球干旱风险的影响可能早在19世纪就已开始,全球气候历史记录中上次最明显的变暖也发生在20世纪上半叶,由此可见从百年尺度研究全球的干旱演化特征,认识气候变化和人类活动对区域干旱事件演化的影响正在成为干旱时空演化规律领域研究的新趋势。但是,由于黄土高原地区气候变化复杂且缺乏长期观测数据,人们很难捕捉到干旱事件变化的宏观时空规律,从而难以全面了解气候变异全球化演进过程对区域干旱事件的影响。因此,亟待从更长期的角度来看待强烈气候过渡期内冷暖变化对区域旱化过程的扰动,进一步理解现代气候变化,并形成未来变化和应对气候异常的新见解或新策略。另一方面,相对较低的分辨率网格数据多无法有效反映地形地貌对气候变化的影响,很难刻画干旱在小地理尺度上的精细化特征,对区域尺度的干旱演变和空间格局变化常无法做到有效表征。虽然有部分学者也考虑到了这两个方面,但研究尺度相对较大,对黄土高原区域应对干旱的指导意义不甚明显。

梳理有关北洛河流域的研究文献,不难发现大多数学者主要聚焦于土地利用[18]、水沙演变[5,19]及植被生态系统时空格局等[20-21]方面,对长时间序列的气象干旱演变与发展情势尚缺乏定量分析和研究。鉴于此,本文拟利用1915—2020年1 km高空间分辨率长时间序列的月尺度平均气温与降水数据,分析北洛河流域百余年SPEI(SPEI-12)指标的时空变化,探讨不同地貌类型下流域气象干旱演化趋势、频率变化及其空间异质性,以期揭示气候变化及人类活动双重影响下的流域气象干旱在百年尺度的演化规律,同时为北洛河流域甚至黄土高原的水土流失治理和生态环境建设提供科学参考。

1 研究区概况及数据来源

北洛河全长680 km,是渭河的一级支流,流域内梁峁起伏、沟谷纵横,从上游到下游,横跨多种地貌区[22]。北洛河流域大陆性季风气候显著,年均气温9.6℃,年均降水量510～540 mm,主要集中在7—9月份。北洛河流域水资源匮乏,且时空分配不均,河川径流量主要来自中游[23-24]。复杂的地形地貌条件以及水资源赋存状态,使得北洛河作为承载体的旱灾脆弱性较大,因此,厘清流域内气象干旱演化规律对流域农业生产和社会高质量发展意义重大。

本文所用的1915—2020年1 km分辨率平均气温及降水数据集[25]来自“国家青藏高原科学数据中心”(http:∥data.tpdc.ac.cn),496个独立气象观测点数据验证结果可信,目前已得到广泛应用[26-29]。本文按水系分布及地貌特征将北洛河流域由上游至下游划分为3个不同的子区域进行研究,以使分析结果更具代表性,即上游区(丘陵沟壑区)、中游区(土石山林区和高原沟壑区)及下游区(阶地平原区),各分区覆盖范围如图1所示。

图1 北洛河流域

2 研究方法

2.1 趋势分析

Theil-Sen Median趋势分析对测量误差和离群数据不敏感,多用于长时间序列数据的斜率估计[30]。计算公式如下:

(1)

式中:xj和xi为时间序列数据。β>0表示序列呈上升趋势;反之,呈下降趋势。Mann-Kendall(M-K)检验应用广泛[31],本文用来进行趋势及变异检验。

2.2 潜在蒸散量计算

潜在蒸散量(PET)由采用月尺度计算的Thornthwaite方法得出[7],具体过程[32]如下:

(2)

式中:PET为月潜在蒸散量(mm/月);Ti为月平均气温(℃);H为年热量指数;A为常数。计算方式如下:

(3)

A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49

(4)

当Ti≤0℃时,H=0,PET=0。

2.3 SPEI计算

标准化降水蒸散指数(SPEI)由Vicente-Serrano等[33]提出,不仅能够有效地描述多时间尺度的水分亏缺,较为实际地反映气象干旱特征,而且相关数据容易获取、适用性强,计算过程见文献[32]。不同时间尺度的SPEI可反映不同类型的干旱状况,年尺度SPEI变化相对稳定,能较好地体现干旱情势的年际演变规律[8]。本文聚焦北洛河流域年际尺度的干旱情势演变,通过计算SPEI-12并分析其演化特征,依照《GB/T20481-2017气象干旱等级》,按表1进行划分。

表1 干旱等级划分Table1 Classification of drought grades

3 结果与分析

3.1 降水量及平均气温变化特征

为初步解析全球变暖背景下北洛河流域的气候变化,首先分析降水量及平均气温的变化规律和分布格局。图2是北洛河流域百余年降水量及平均气温的年代际变化。由图2A可知,在统计期内,年降水量的变化范围是355.2～805.6 mm(多年平均530.7 mm),平均气温在7.8～10.5℃间波动(多年平均9.2℃),分别计算线性倾向率并采用M-K方法进行趋势检验,结果为-0.047 mm/10 a(p>0.05),0.106℃/10 a(p<0.01),统计分析表明在年尺度上,降水量不显著下降,而平均气温的上升趋势显著,说明整体上流域趋于暖干化,YAO等[34]用1961—2008年实测站点数据得到的研究结论与本文一致。从图2B容易看出,北洛河流域降水量的代际变化相对稳定,且呈现一定的宏观波动性。需要注意的是,20世纪60年代数据分布较为分散,波动强烈,90年代后流域降水量处于持续上升阶段,当前正处在丰水期。平均气温与降水变化在20世纪上半叶变化较为协同,表现为较为稳定的宏观波动,但90年代开始,北洛河流域的气温陡然增加,且保持在较高水平,已超出20世纪上半叶的温度波动范畴,表明北洛河流域的干旱威胁进一步加大。

图2 北洛河流域降水量及平均气温的年际(A)与代际(B)变化

图3显示了北洛河流域多年平均降水及气温的空间分布。从流域整体看,降水量及平均气温的空间分布差异较大,但均呈现出“东南大西北小”的空间格局,高温伴随高降水,这对抑制干旱是有利的。其不同之处在于,降水量呈条带状分布,平均气温则从上游至下游沿河道近似线性增加。从区域分布看,上游区(丘陵沟壑区)降水相对较少,下游区(阶地平原区)气温相对偏高,气候变化的异质性和不均衡的下垫面变化极有可能引发局地灾害。

图3 北洛河流域多年平均降水(A)及气温(B)的空间变化

3.2 年际SPEI指数变化特征

3.2.1 年际变化特征 图4为1915—2020年北洛河流域年际SPEI变化曲线,由图可知流域内上游区(丘陵沟壑区)、中游区(土石山林区和高原沟壑区)和下游区(阶地平原区)的SPEI-12均呈波动下降趋势,线性倾向率分别为-0.045/10 a,-0.037/10 a和-0.042/10 a,经M-K趋势检验后发现均未通过置信水平为95%的置信检验。整体来看,北洛河流域及各区域的SPEI-12波动频繁,旱涝交替且有明显的阶段性特征,主要干旱时期集中在1921—1942年及1991—2010年,相对湿润年份集中在1943—1990年,且湿润年份离散程度较大。聚焦北洛河流域的SPEI-12变化(图4D),可以发现其以-0.04/10 a的速率呈非显著的下降趋势,说明100余年来北洛河流域干旱趋势逐渐加强,其中1941年(-2.15)及1997年(-2.16)干旱强度最大,表现为特旱;1964年(2.65)湿润程度最大,表现为特涝。1941—1943年是全国严重干旱灾害年[35];1964年北方地区特涝主要由春季和夏季特涝所致[36];1997年北方地区发生持续时间长、影响范围广、干旱程度重的夏秋连旱[37]。与之对比可以发现,SPEI-12在反映北洛河流域内旱涝的年际变化特征方面是保有优势的。

图4 北洛河流域SPEI-12变化趋势

3.2.2 趋势与周期特征 图5为北洛河流域SPEI-12与累积距平变化曲线。可以看出,干旱演变大致经历了3个较为明显的阶段,累积距平在1910s中期到40s初(第1阶段)及90s至今(第3阶段)整体下降趋势明显,干旱强度逐渐增加;在40s到80s(第2阶段)呈增加趋势,干旱强度逐渐减弱。其中,1942年、1990年和2010年为旱势转折年,并以1990年最为明显。总体来看,百年来北洛河流域呈现“湿润—干旱—湿润—干旱”的交替变化,气候逐渐由湿变干,年际变化特征明显,1970s,80s相对湿润,90s中期进入全面干旱时期,2010年前后旱化触底且有返湿趋势。

图5 北洛河流域SPEI-12值及累积距平变化曲线

采用M-K变异检验对北洛河流域的SPEI-12进行检验,结果如图6所示。已有研究表明,1990年是渭河流域平均SPEI变异的开始[7,38],结合累积距平变化曲线(图5)可以发现流域SPEI-12在1990年发生显著变异,这一方面与中国1990年之后开始的全面变暖[39]有关,另一方面也受到了北洛河流域1990年后的大规模土地利用改变等[18]潜在影响。

图6 北洛河流域SPEI-12变异检验

为进一步探索北洛河流域气象干旱的时域变化特征,对SPEI-12序列进行小波分析,结果如图7所示。由小波系数实部图可以发现,北洛河流域的气候演化存在明显的干湿周期变化特征。小波方差图显示,SPEI-12在15 a及49 a的时间尺度上出现2个明显峰值。当然,也可能存在由于时间序列有限而无法检测到的更大主周期。其中,15 a(第一主周期)和49 a(第二主周期)的时间尺度,分别对应10 a和30 a左右的周期变化。结合小波系数实部图可进一步将序列大致分为两个时期:1960年前主要以10 a,17 a周期变化为主,其后则主要表现为3 a,7 a,30 a的周期变化。由此可知,北洛河流域干湿变化的小周期是10 a左右、大周期为30 a左右,目前仍处于相对湿润状态。滕怀颐等[40]所得结果与本文基本相符,刘宇等提出渭北黄土台塬区SPEI-12的平均变化周期为4.8 a和8 a[41],与本文研究结果比较接近,但所用时间序列长度较短,未能识别出更大时间尺度的周期。

图7 小波系数实部与小波方差

3.2.3 空间变化特征 为了解SPEI-12变化趋势的空间分布,利用Theil-Sen Median方法对每个像元的年际SPEI序列进行趋势分析,并采用M-K趋势检验进行显著性检验,所得结果的空间分布如图8所示。由图可知,北洛河流域的SPEI-12呈现全域性的不显著下降趋势,趋势系数介于(-0.020～-0.067)/10 a,即以干旱化趋势为主。SPEI-12下降幅度整体上由东北向西南逐渐变大,具有明显的空间差异。其中,甘泉县、志丹县下降趋势相对较小,黄陵县、大荔县及定边县下降趋势更为明显。

图8 北洛河流域SPEI-12趋势空间变化

3.3 干旱频率时空变化特征

3.3.1 干旱频率时间变化特征 为厘清北洛河流域百余年间不同干旱事件的演化特征,依据SPEI等级划分标准(表1),将不同类型干旱的频率分布与地貌类型进行耦合,并统计不同地貌类型区域的SPEI-12值,涉及上游区(丘陵沟壑区)、中游区(土石山林区和高原沟壑区)及下游区(阶地平原区),结果如图9所示。不难看出,北洛河流域不同地貌类型区的无旱频率为70%左右,各区等级干旱发生的频率有所不同,如上游区易发生中旱,下游区更易发生轻旱。在1915—2020年统计期内,上、中、下游区同时发生特旱的有1 a,占统计年数的0.94%。中游区和下游区同时发生特旱,而上游区未发生也有1 a记录。综合统计分析表明北洛河流域轻旱发生频率10.4%,中旱发生频率12.3%,重旱及特旱的发生频率大致为1.9%,总干旱发生频率为26.4%,这与李洁[42]和杨睿[11]等所得总干旱频率26.4%～39.6%(1961—2013年),32.25%(1980—2018年)大致相符。

图9 北洛河流域不同区域干旱发生频率

为进一步探究不同地貌类型区干旱发生频率的时间演变特点,统计了不同年代的干旱发生频率(图10)。由图可知,不同年代的干旱发生频率差异较大,其中1915—1919年北洛河流域相对湿润,各类型区均未发生干旱;1990s流域重旱和特旱发生频率最高,重旱发生频率各类型区域均在20%左右,特旱发生频率存在空间差异,全域约为10%,与中、下游区相当;2000s是北洛河流域干旱事件发生频率的高值区间,其中上游区和下游区最高(近70%),中游区次之(约60%)。

图10 北洛河流域各区域不同时段各等级干旱发生频率

3.3.2 干旱频率空间变化特征 为探索不同等级干旱频率在流域空间上的分布规律,采用反距离权重插值法(IDW)进行空间插值,所得结果如图11所示。

由图可知,北洛河流域不同等级干旱发生频率的空间分布表现出较大的差异性。轻旱发生频率自南向北逐渐降低,而中旱发生频率与之相反,上游区(丘陵沟壑区)内志丹县大部、吴起县和定边县局部最高。重旱发生频率呈现零散的区域分布,中游区(土石山林区和高原沟壑区)内甘泉县及上游区(丘陵沟壑区)内定边县等地最高。特旱发生频率为1.69%～2.10%,覆盖总面积的94.3%,与其他等级干旱相比,高值分布区域及频率变化范围均较小,空间变异不明显。其中,发生频率最低的区域主要集中在上游区(丘陵沟壑区)吴起县及靖边县部分地区,而中游区(土石山林区和高原沟壑区)内黄陵县西部及上游区(丘陵沟壑区)吴起县东部发生特旱的频率最高。统计数据显示,总体上流域中下游区的干旱发生频率约为31.53%～35.85%,而该区域人口密度较大、耕地面积较多,承载体脆弱性大,应予以重点关注。

4 讨 论

由以上分析可以看出,北洛河流域年平均气温的代际变化与全球平均地表温度变化大致趋同,也呈现出自20世纪60年代开始的持续升温现象,体现了局部地区对全球变暖的响应。年平均降水量变化受局地气候条件与地形地貌影响,与全球变化相比存在一定差异。从SPEI-12反映的干旱事件百年演化趋势看,北洛河流域与全球的旱化趋势相一致,表现为持续的加重趋势。由此可见,全球变暖引发的旱化趋势在我国北方黄土高原的影响是客观存在的,且根据已有研究预测,气候变暖会驱动黄土高原区的温度与降水的双重变化,且旱化趋向可能更加明显[43]。

本文在研究中使用了Thornthwaite方法来计算潜在蒸散量,虽然可能在一定程度上高估了干旱的趋势和强度,但从选取的典型年来看,SPEI指标尚保有优势,所表征特征较为合理。其结果也能有效地从更长的时间尺度来挖掘北洛河流域气象干旱的演变特征,进而实现对区域干旱长期演化规律以及与全球旱化趋势协同响应的客观描述。

对比已有的区域研究可以发现,刘宇等[41]基于1969—2016年气象站实测资料所得到的干旱频率分析结果与本研究区各等级干旱频率在空间分布上较为一致。杨睿等[11]统计发现渭河流域年尺度干旱频率为13.25%～24.15%(1980—2018年),且以洛川站为核心的圆形区域干旱频率最高,孙洋洋的分析结果也表明中下游区干旱发生频率最大[44],这与本文结果在空间位置上大体相符。因本文与已有研究所采用的统计数据在站点密度和序列长度上有所差异,故统计数值上略有不同。对比表明,尽管近年来北洛河流域的气温和降水表现出了较为明显的时空变化,但气象干旱事件的时空格局与发生频率并未发生非常显著的变化。当然,影响干旱演化趋势和空间异质性的因素很多,且事件发生与发展的物理机制均较为复杂,不同因素的贡献程度也还有待进一步研究。

5 结 论

本文结合全球干旱化特征的研究尺度,以标准化降水蒸散指数(SPEI)为研究对象,开展了北洛河流域气象干旱百年尺度的时间演化特征研究,并透过与地貌类型的耦合,分析了流域气象干旱演化的空间格局及伴生特点。取得的具体结论如下:

(1) 1915—2020年北洛河流域平均气温上升趋势显著,降水量呈不显著的下降趋势。从流域整体看,空间分布差异较大,但均呈现出东南部大于西北部的特点;不同之处在于,降水量呈条带状分布,平均气温从上游至下游沿河道近似线性增加。从区域分布看,上游区(丘陵沟壑区)降水相对较少,下游区(阶地平原区)气温相对偏高,空间格局基本类似。

(2) 统计期内,北洛河流域及各类型区域SPEI-12波动震荡明显,但整体上呈减小趋势,说明流域干旱情势持续加剧。其中,1942年、1990年和2010年存在转折,且以1990年最为明显。北洛河流域的气候特点呈现为“湿润—干旱—湿润—干旱”的交替过程,主要干旱期集中在20世纪20,30年代和20世纪90年代及21世纪00年代,相对湿润的年份主要集中在20世纪40年代至80年代。周期特征显示,北洛河流域气象干旱指数周期变化呈现分期性特征,即1960年前以10 a,17 a周期震荡为主,1960年后以3 a,7 a,30 a左右为主,其中10 a和30 a左右的周期在不同时期气象干旱指数变化中起主导作用。

(3) 统计数据显示,北洛河流域SPEI-12呈不显著的下降趋势,且具有全域性,整体上表现为由东北向西南增加,下降趋势较大的区域主要分布在黄陵县、大荔县及定边县。从地貌类型上看,上游的丘陵沟壑区易发生中旱,下游的阶地平原区易发生轻旱。流域尺度上整体以轻中旱为主,轻旱发生频率10.4%,中旱发生频率12.3%,重旱及特旱频率约1.9%,总干旱发生频率为26.4%。

(4) 北洛河流域不同等级干旱发生频率的代际特征突出,且具有空间异质性。具体表现为1990s重旱,甚至特旱发生频率最高,2000s干旱发生频率最大。轻旱发生频率呈现自南向北“逐渐降低”的趋势;中旱发生频率呈现自南向北“逐渐升高”的规律;重旱发生频率呈现零散的区域分布;北洛河流域发生特旱的频率为1.69%～2.10%。

(5) 全球变暖引发的旱化趋势在我国黄土高原地区的影响客观存在,但并未引起北洛河流域气象干旱空间格局和频率的显著改变。然而,随着全球变暖效应的累积与区域环境的改变,北洛河流域的旱化趋势在2010年前后被打破,此后是否会持续,值得关注。